Исследование раскрывает пространственно-временную координацию между процессингом пре-рРНК и архитектурой ядрышка
В эукариотических клетках ядрышко — это центральный сайт для биогенеза рибосом. Оно состоит из отдельных субкомпартментов: фибриллярного центра (ФЦ), плотного фибриллярного компонента (ПФК), периферии ПФК (пПФК) и гранулярного компонента (ГК), каждый из которых выполняет определённые этапы транскрипции, процессинга пре-рРНК и сборки рибосомных субъединиц.
Дисфункция ядрышка связана с различными заболеваниями, такими как рак, нейродегенерация и нарушения развития. Традиционная модель предполагает, что синтез и процессинг рРНК происходят в единицах ФЦ-ПФК, а сборка рибосом — в ГК, но как эти компартменты функционально координируются для эффективного производства рибосом, оставалось неизвестным.
В исследовании, опубликованном в Nature, команда под руководством профессора Чэнь Линлин из Центра передового опыта в молекулярной клеточной науке Китайской академии наук, выявила пространственно-временное разделение процессинга разных предшественников рРНК (пре-рРНК) внутри ядрышка.
Интегрировав метаболическое мечение, визуализацию отдельных молекул РНК, микроскопию сверхвысокого разрешения и количественную протеомику, исследователи систематически картировали пространственно-временное распределение процессинга пре-рРНК.
Они обнаружили, что пре-рРНК малой субъединицы (SSU) преимущественно обрабатывается во внутренних областях ФЦ–пПФК и в основном завершает свой процессинг в первые 30 минут. В то же время пре-рРНК большой субъединицы (LSU) была обогащена во внешних областях пПФК–ГК и созревала постепенно после 30 минут. Это пространственное разделение противоречит традиционным моделям, помещавшим оба этапа в ГК, и переопределяет специализированные функции субдоменов ядрышка.
Такой компартментализованный процессинг функционально значим. В медленно пролиферирующих или дифференцированных клетках ядрышки демонстрировали меньшее количество, но увеличенные единицы ФЦ-ПФК, сопровождаемые менее эффективным процессингом SSU и накоплением пре-рРНК SSU во внутренних областях ядрышка, что в итоге приводило к снижению продукции рибосом.
Для количественной оценки связи между процессингом пре-рРНК и организацией ядрышка исследователи ввели новый геометрический параметр — Relative FC/DFC interface, который количественно связывает индивидуальные вложенные структуры ФЦ/ПФК с эффективностью процессинга SSU.
Антисмысловые олигонуклеотиды, нацеленные на 5' внешнюю транскрибируемую спейсерную область (5' ETS) пре-рРНК SSU, использовали для ингибирования процессинга, что воспроизвело структурные дефекты, наблюдаемые в медленно пролиферирующих клетках. Результаты показали важную роль процессинга SSU, центрированного на 5' ETS, в поддержании субструктур ядрышка.
Эволюционные сравнения кинетики процессинга пре-рРНК дополнительно подтвердили модель взаимозависимости структуры и функции ядрышка. Двухчастные ядрышки у анамний (например, zebrafish), которым не хватает разделённого интерфейса ФЦ–ПФК, демонстрировали иное распределение 5′ ETS и гораздо более медленную диффузию пре-рРНК по сравнению с многослойными ядрышками амниот.
Создание искусственного интерфейса ФЦ/ПФК в двухчастных ядрышках привело к повышению эффективности процессинга, что позволяет предположить, что появление многослойной организации ядрышка могло дать эволюционные преимущества в производстве рибосом.
Это исследование устанавливает прямую связь между функцией на молекулярном уровне и архитектурой ядрышка на микронном уровне, раскрывая динамическую координацию между процессингом пре-рРНК и субструктурой ядрышка, и предлагает потенциальные стратегии для лечения связанных с ядрышком заболеваний через нацеливание на ключевые этапы биогенеза рибосом внутри его субструктур.